Новые датчики NASA помогут искать жизнь на далеких планетах
Ученые при поддержке NASA разрабатывают однофотонные детекторы, которые смогут улавливать невероятно слабые сигналы от экзопланет, известные как биосигнатуры. Они служат своеобразными химическими отпечатками, которые могут указывать на возможное существование живых организмов на далеких небесных телах. Исследователи тестируют первые прототипы для работы в суровых условиях космоса.
Отдельные фотоны могут нести в себе информацию об атмосферах далеких экзопланет. Если на какой-либо из них существует жизнь, схожая с земной, она неизбежно оставит химический след — так называемые биосигнатуры. Это уникальные линии поглощения и излучения в спектре, которые производят молекулы кислорода, углекислого газа или метана. Чтобы уловить эти сверхслабые сигналы с расстояний в десятки световых лет, NASA готовит к запуску Обсерваторию обитаемых миров (HWO), которой потребуется принципиально новая, невероятно чувствительная аппаратура.
Помогать HWO в работе будет однофотонный датчик изображения SPSCMOS на основе металл-оксид-полупроводника. Такие устройства могут обнаруживать и распознавать отдельные фотоны с оптической длиной волны, используя плавающий диффузионный датчик с низкой емкостью и высоким коэффициентом усиления.
Преимущества таких детекторов впечатляют: они обладают практически нулевым шумом при считывании, невероятно устойчивы к радиации, генерируют крайне малый нежелательный сигнал (темновой ток) и могут эффективно работать в широком диапазоне температур, вплоть до комнатной. При охлаждении до -23°C (250 K) темновой ток падает до фантастически низкого значения — примерно один электрон в полчаса. Это критически важно, ведь любое превышение шумов над полезным сигналом сделает биосигнатуры невидимыми.
Чтобы подготовить эту многообещающую технологию к суровым условиям космического полета, группа исследователей из Центра детекторов при Рочестерском технологическом институте (США) ведет работу по нескольким ключевым направлениям в рамках программ, финансируемых NASA. Инженеры проводят тщательную характеристику сенсоров, измеряя их темновой ток, квантовую эффективность и шумы до, во время и после облучения высокоэнергетической радиацией, имитирующей многолетнее пребывание в космосе.
Поскольку среда, в которой будет работать HWO, насыщена радиацией, способной вызывать временные сбои и нарушающие работу сенсора повреждения, вторая задача команды — разработка новых режимов считывания данных для датчиков, чтобы смягчить последствия радиационного поражения. Еще одним этапом работы станет разработка новой версии инфракрасного датчика с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования.
Приборы SPSCMOS работают аналогично традиционным датчикам изображения, но оптимизированы для обнаружения отдельных фотонов. Это важно для сверхчувствительных космических наблюдений, включающих измерение содержания газов в атмосферах экзопланет. Поступающие фотоны попадают в датчик и генерируют свободные заряды (электроны). Они накапливаются в ячейке памяти пикселя и в конечном итоге передаются в компонент с низкой емкостью (чувствительный узел с плавающей диффузией), где каждый свободный заряд вызывает изменение напряжения. Этот сдвиг затем оцифровывается для считывания сигнала.
Для проверки будущей технологии перед началом производства ученые используют метод моделирования. Они создают виртуальный двойник прибора и имитируют все ключевые этапы его работы. Кроме того, технологию проверяют в условиях, максимально приближенных к реальным. В январе 2025 года исследователи во главе с аспирантом Эдвином Алексани провели наблюдения с помощью обсерватории C.E.K. Mees в Нью-Йорке, используя камеру на основе SPSCMOS. Они направили телескоп на звездное скопление M36 и Туманность Пузырь, чтобы оценить фотометрическую точность сенсора. Результаты по темновому току и шуму считывания полностью совпали с лабораторными.
Команда также наблюдала за спутником STARLINK-32727, когда он проходил через поле зрения телескопа, и измерила незначительный постоянный сигнал остаточного заряда. Несмотря на то, что он оставил яркую полосу на нескольких пикселях, остаточный заряд в них оказался ничтожно мал — всего 0,03 электрона на пиксель, что ниже фонового шума неба и собственных шумов детектора.
Высокочувствительные датчики, способные улавливать единичные частицы, находят применение в разных областях науки. Пока в NASA совершенствуют детекторы для поиска следов жизни, в России строится гигантский детектор для «охоты» на нейтрино.
Самое популярное
